近年來，隨著5G和智能化時代的來臨及電子設(shè)備趨于小型化、集成化，電子設(shè)備的發(fā)熱量成倍增加，這對系統(tǒng)的散熱性能提出了更高的要求。導(dǎo)熱界面材料是散熱系統(tǒng)的關(guān)鍵材料，是連接芯片與散熱器之間熱量傳遞的橋梁。然而，用于熱界面材料的聚合物，如環(huán)氧樹脂、硅脂等，具有很低的導(dǎo)熱系數(shù)(0.1～0.3 W/(m·K))，無法滿足快速傳熱的要求。因此需要開發(fā)具有高導(dǎo)熱的熱界面材料，通常的方法是在聚合物基體中加入導(dǎo)熱填料來實現(xiàn)高效的熱傳導(dǎo)。因為氧化鋁來源廣泛，價格較低，在聚合物基體中填充量大，具有較高的性價比，因此目前高導(dǎo)熱絕緣硅膠材料主要以氧化鋁為導(dǎo)熱絕緣填料[1]。
圖1 散熱器與發(fā)熱元器件之間的導(dǎo)熱界面材料[2]
導(dǎo)熱氧化鋁填料的技術(shù)指標(biāo)與趨勢
作為最大用量的導(dǎo)熱填料Al2O3，目前制備的導(dǎo)熱界面材料熱導(dǎo)率基本在2～6W/(m·K)之間，要提高材料的熱導(dǎo)率，勢必從填充率和導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)通道方面開發(fā)應(yīng)用潛力，因此，Al2O3導(dǎo)熱填料可在如下幾個方面進(jìn)行進(jìn)一步研究以提高其應(yīng)用性能[2]。
（1）粒度方面：進(jìn)一步研究超細(xì)亞微米及更細(xì)的高導(dǎo)熱填料Al2O3，亞微米顆?？梢愿玫靥畛涞筋w粒之間，不但有利于形成顆粒之間的導(dǎo)熱通道，而且還可以降低界面接觸熱阻。
（2）結(jié)晶、形貌方面：提高結(jié)晶程度和顆粒形貌規(guī)整程度，不但有利于顆粒本身熱導(dǎo)率，還可以降低粘度，增加填充率。
（3）研究復(fù)配工藝提高填充率和導(dǎo)熱性能，即不同顆粒大小級配、不同形貌的復(fù)配。
（4）通過有效的表面改性，改善Al2O3和有機聚合物直接的浸潤性，從而提升Al2O3填充率。
目前市場上導(dǎo)熱氧化鋁填料主要包括致密度較高的高溫?zé)Y(jié)氧化鋁(燒結(jié)溫度1600～1700℃)和高溫熔融氧化鋁(熔融溫度2050℃)兩大類。高溫?zé)Y(jié)氧化鋁按形貌又分為類球形氧化鋁和角形氧化鋁，高溫熔融氧化鋁即球形氧化鋁[3]。
球形氧化鋁顆粒為5～50μm單晶體，顆粒形貌為球狀，高填充率、高堆積密度，吸油率低等。但其在高溫焰流下氧化鋁相變很復(fù)雜，由此生產(chǎn)的氧化鋁除主要為α相外，往往還含有δ相、θ相等雜相，而這是高熱導(dǎo)率要求所不希望的。角形氧化鋁顆粒形貌以具有尖銳的棱角為特征，生產(chǎn)成本低，轉(zhuǎn)化率高，但純度低，填充率低，電導(dǎo)高等導(dǎo)致了其導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱系數(shù)低。類球形α-氧化鋁相含量高、純度高、表面光滑，但顆粒形貌為橢圓形，影響填充率，且產(chǎn)品成本較高[4]。
基于不同形貌導(dǎo)熱氧化鋁體系穩(wěn)定性、高性能、低成本等需求考量，通過實現(xiàn)球形、類球形、尖角形氧化鋁填料緊密堆積，搭建導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而提升導(dǎo)熱界面材料導(dǎo)熱系數(shù)，制備出復(fù)合導(dǎo)熱氧化鋁填料復(fù)合材料有望得到廣泛應(yīng)用[5]，市場需求會越來越大。
目前，在粉體顆粒填充導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料時為降低孔隙率，增大導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱性能的研究還未完善，如何提高粉體顆粒的堆積密度、降低孔隙率、提高熱界面材料的導(dǎo)熱性能是填充型導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料急需解決的問題。
為了解決上述問題，張巖巖等[6]以Dinger－Funk方程為理論基礎(chǔ)，研究了界面材料導(dǎo)熱系數(shù)與氧化鋁粉體的形貌、粒徑、填充量及復(fù)配比例之間的關(guān)系，以期選出導(dǎo)熱氧化鋁填料最佳性價比配方工藝。結(jié)果表明：當(dāng)界面材料用球形、角形和類球形導(dǎo)熱氧化鋁填料按照復(fù)配比例(質(zhì)量比)0.088∶0.299∶0.613進(jìn)行復(fù)配時，復(fù)配粉體的堆積密度可達(dá)到2.69 g/cm3，復(fù)配粉體添加量(質(zhì)量比)可達(dá)92.0%，獲得界面材料導(dǎo)熱系數(shù)為3.34 W/(m·K)。
由于氧化鋁粒子和有機樹脂基體界面間相容性很差，造成氧化鋁粒子極易團聚，很難均勻地分散到高分子基體中，此外，氧化鋁粒子與有機樹脂的表面張力差異不同，使得高分子基體很難潤濕粒子表面，從而導(dǎo)致二者界面處存在空隙，增加了復(fù)合材料的界面熱阻。如何降低氧化鋁顆粒之間的團聚，改善氧化鋁粉體與高分子基體的界面相容性，提高它們在高分子基體中的分散性，從而獲得性能優(yōu)異的復(fù)合材料，就成為氧化鋁在填充材料領(lǐng)域中應(yīng)用的關(guān)鍵性問題。
利用有機表面改性劑分子中的官能團在顆粒表面吸附或化學(xué)反應(yīng)對顆粒表面進(jìn)行改性，有目的地改變粉體表面的物理化學(xué)性質(zhì)，如表面能、表面極性等，能很好地解決氧化鋁粉體分散性差的問題。表面處理是優(yōu)化氧化鋁粉體材料性能的關(guān)鍵技術(shù)之一，對提高氧化鋁粉體的應(yīng)用性能和價值起著至關(guān)重要的作用。
偶聯(lián)劑不僅能夠與無機粒子表面產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合，而且偶聯(lián)劑中含有化學(xué)官能團，有足夠長的碳鏈能夠與基體產(chǎn)生物理糾纏或共結(jié)晶，因而與高聚物基體也有很強的反應(yīng)性和相容性，主要有硅烷、鈦酸酯、鋁酸酯、有機絡(luò)合物、磷酸酯等偶聯(lián)劑。普通氧化鋁的表面改性劑以傳統(tǒng)的硅烷偶聯(lián)劑為主[7]。
賈春燕等[7]針對填料氧化鋁的表面處理進(jìn)行了研究，試驗選取不同的偶聯(lián)劑對填料氧化鋁進(jìn)行表面處理，通過吸油值、粘度及掃描電鏡對表面處理后的填料氧化鋁進(jìn)行表征，并對偶聯(lián)劑的表面處理作用及機理進(jìn)行了初步的探討。結(jié)果表明，偶聯(lián)劑可以明顯的降低填料氧化鋁的吸油值，相對于未表面處理的填料氧化鋁，經(jīng)偶聯(lián)劑A、B、C表面處理后填料氧化鋁的吸油值分別下降了7.5%、20%、30%。隨著偶聯(lián)劑C添加量的增加，填料氧化鋁的粘度逐漸降低，當(dāng)偶聯(lián)劑C的添加量超過0.3%時，其粘度下降趨緩，基本達(dá)到平衡。偶聯(lián)劑C的最佳添加量為0.3%，此時體系粘度為5850MPa·s，相對于未表面處理的填料氧化鋁的粘度下降了44%，并且表面處理后的填料氧化鋁粉體分散性較好，顆粒無明顯團聚現(xiàn)象存在，粉體棱角減少。
為提高界面材料的導(dǎo)熱性能，劉永鶴等[4]采用不同工藝對界面材料用導(dǎo)熱氧化鋁填料進(jìn)行改性研究，通過考察導(dǎo)熱氧化鋁填料的形貌、添加量、復(fù)配比例對界面材料導(dǎo)熱性能的影響，選取導(dǎo)熱氧化鋁填料最佳性價比配方和改性工藝。實驗結(jié)果表明：球形氧化鋁、類球形氧化鋁和角形氧化鋁，分別采用干法、濕法、干法-濕法聯(lián)合改性工藝進(jìn)行改性，其中干法-濕法聯(lián)合改性工藝改性包覆的效果最好，同時表觀密度最大，因此導(dǎo)熱系數(shù)最高。選取45μm球形氧化鋁、45μm類球形氧化鋁、5μm角形氧化鋁以2∶3∶2的質(zhì)量比復(fù)配改性，通過SEM檢測得出粉體之間形成緊密的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)通道，導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到4.25 W/（m·K）。
圖3 導(dǎo)熱氧化鋁改性和導(dǎo)熱材料制備工藝流程圖[4]
盡管Al2O3導(dǎo)熱系數(shù)相對不是太高，但其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，絕緣性能好，填充到聚合物中的粘度較低，可以得到很高的填充率，最重要的是價格相對較低，具有極高的性價比，因此Al2O3是導(dǎo)熱填料中用量最多、用途最廣泛的一種填料。
目前制備的導(dǎo)熱界面材料熱導(dǎo)率基本在2～6W/(m·K)之間，要提高材料的熱導(dǎo)率，勢必從填充率和導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)通道方面開發(fā)應(yīng)用潛力，因此，Al2O3導(dǎo)熱填料可在超細(xì)粒度、結(jié)晶程度、顆粒形貌、復(fù)配工藝及表面改性等方面進(jìn)行進(jìn)一步研究以提高其應(yīng)用性能。